烟草基因瞬时表达体系的建立与优化研究

Botanical Research 植物学研究, 2015, 4, 25-31Published Online March 2015 in Hans. /journal/br/10.12677/br.2015.42004Establishment and Optimization ofAgrobacterium-Mediated TransientGene Expression System in TabaccoLiwei Wen, Hongliang Zhu*Department of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, BeijingEmail: 210824@, *hlzhu@Received: Apr. 15th, 2015; accepted: May 1st, 2015; published: May 6th, 2015Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/AbstractTo establish and optimize a transient expression system in Nicotiana benthamiana, the method was developed with the β-glucuronidase (GUS) and Ripening Inhibitor (RIN) as marker genes. Us-ing the agrobacterium-mediated transformation method, GV3101 was used for the effects of dif-ferent bacteria concentration on the efficiency of protein transient expression in Nicotiana ben-thamiana. Observed by the results, a higher transient expression level of GUS & RIN gene could be obtained as OD600 value of A. tumefaciens for intiltration 1.0. The entire process only took 25 days from sowing seed to protein analysis. Therefore, this method is simple and rapid. It has a potential application in dissecting gene expression and function in Brassica napus.KeywordsTobacco, Leaf, Transient Expression System烟草基因瞬时表达体系的建立与优化研究文莉薇，朱鸿亮*中国农业大学，食品科学与营养工程系，北京Email: 210824@, *hlzhu@*通讯作者。

烟草基因瞬时表达体系的建立与优化研究收稿日期：2015年4月15日；录用日期：2015年5月1日；发布日期：2015年5月6日摘要本研究以GUS基因和RIN基因作为报告基因，利用农杆菌(Agrobacterium tumefaciens) GV3101对烟草叶片注射侵染，探究了农杆菌侵染浓度对本氏烟草(Nicotiana benthamiana)叶片瞬时表达效果的影响，建立并优化了烟草中的瞬时表达体系。

结果表明，β-葡萄糖苷酶(GUSβ-glucuronidase)基因与RIN基因在OD600 = 1.0的侵染浓度时表达效果最佳。

农杆菌介导的烟草叶片瞬时表达方法简单高效，结果准确可靠，从种子播种到收获蛋白只需25天左右。

该体系的建立与优化为基因表达和蛋白功能性研究等方面提供了一定支持。

关键词烟草，叶片，瞬时表达1. 引言本氏烟草(N. benthamiana)是一种原产于澳大利亚北部地区的一种茄科烟草属的植物，于1837年首次被Benjamin Bynoe发现并采集。

自发现以来，本氏烟草因其叶片的易感染性与免疫和防御信号功能，被作为植物病毒学中的典型物种[1]，同时它也是病毒诱导的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)实验的植物生物反应器。

在Gene Bank中可获得16,000个本氏烟草的单个基因序列，通过序列对比分析发现烟草与其他物种在24个基因上具有直系同源性[2]。

目前植物瞬时表达技术已经被广泛利用，该体系具有操作简便，安全性更高的特点，是迄今为止分子生物学研究中应用最广泛的方法[3]，主要用于研究外源基因的表达、蛋白质间的互作、转录因子与顺式作用元件的互作、启动子功能分析、蛋白的亚细胞定位等方面[4]。

但是仍有一些技术问题尚未解决，如目前大部分研究仅处在叶片组织层面,农杆菌本身对植物抗病性有一定影响[5]；在体外表达蛋白质过程中，并非所有的核糖体都能翻译表达全长蛋白，此过程可能影响抗体与蛋白的结合，甚至难以筛选到结合的抗体[6]。

β-葡萄糖苷酸酶(GUS)是一种以β-葡萄糖苷酸酯类物质为底物的水解酶，其产物可通过组织化学法、分光光度法和荧光法等多种方法检测[7]。

多数植物体内无内源的GUS，而通过外源导入GUS基因所表达出的GUS在植物体中可保持稳定和良好的活性。

MADS-box转录因子RIN是番茄果实成熟的主要调控因子。

通过染色质免疫沉淀法，现已证明RIN 在番茄果实的成熟过程中与大量启动子结合调控基因的表达[8]，而且RIN基因控制单隐性遗传性状[9]。

近几年，rin突变体逐渐发展为研究果实成熟机理的重要材料。

rin突变体果实在室温下可贮藏两个多月，果实在转色期采下贮藏，品质与正常番茄相近，但是最终果实仍然呈现绿色，这就要求在今后的育种过程中要改善rin突变体果实颜色缺陷，提高其商品性[10]。

以农杆菌介导的烟草瞬时表达体系主要是利用农杆菌Ti质粒上的T-DNA(transfer DNA)的复制转移并整合到植物细胞的基因组中的特性，通过构建含有T-DNA片段中带有外源基因的载体，进而通过农杆菌介导，瞬时表达T-DNA中编码的基因，进行植物细胞的转化。

通常2~3天后即可检测到外源基因的表达。

目前常用载体有pMOG800、pBI121等，常用的农杆菌主要有GV3101、LBA4404、EHA105、AGL1等。

目前，瞬时表达体系已在多个物种间逐渐建立[11]，并已成功应用于多种植物，如草莓[12]、拟南芥、烟草基因瞬时表达体系的建立与优化研究莴苣[13]、玉米[14]和黄瓜[15]等，更适用于基因–蛋白的相关细胞生物学研究。

有实验表明，将LB培养基上活化后的农杆菌以10%接种量重新接种到新的培养基上有利于提高蛋白的表达量[16]。

本研究以pCAMBIA-35S-35S-FMF-GUS和pCAMBIA-35S-35S-FMF-RIN为载体，采用农杆菌注射侵染的方法，以GUS基因和RIN基因作为报告基因，检测了不同农杆菌侵染浓度对瞬时表达效率的影响，优化了烟草叶片中的基因瞬时表达体系，高效表达了GUS基因及RIN基因。

2. 材料与方法2.1. 烟草材料本氏烟草(Nicotiana benthamiana)种子。

2.2. 菌株与载体农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)菌株GV3101，植物表达载体pCAMBIA-35S-35S-FMF-GUS (图1)、pCAMBIA-35S-35S-FMF-RIN (图2)。

2.3. 主要生化试剂吗啉乙磺酸MES、乙酰丁香酮ASG、卡那霉素(Kanamycin) (50 mg/ml)、庆大霉素(Gentamicin) (50 mg/ml)、利福平(Rifampicin) (50 mg/ml)、一抗Anti-c-myc Rabbit、Anti-Plant-Actin Rabbit Polyclonal An-tibody、二抗Anti-Rabbit IgG HRP均购于Sigma公司，PVDF膜购于Millipore公司，ECL发光液购于普利莱公司。

MgCl2为国产化学纯。

2.4. 仪器Trans-Blot SD半干转印槽购于BIO-RAD公司，P4蛋白垂直电泳仪DYCZ-25E型购于北京市六一仪器厂，X-OMAT BT医用X-光片购于柯达公司，X射线摄影暗夹购于粤华公司，易杰膜购于EASYBIO 公司。

2.5. 方法选取饱满烟草种子，4℃用水浸泡48 h，播种于土壤中，在(26 ± 1)℃、16 h/d光照的培养箱中培养。

约25天后待其为五叶或六叶期时取其植株中较宽大平坦的叶片用于实验。

分别将含有pCAMBIA-35S-35S-FMF-GUS、pCAMBIA-35S-35S-FMF-RIN质粒的GV3101农杆菌进行活化。

用已灭菌的1 ml枪头挑取农杆菌加入LB培养基(含50 mg/L卡那霉素，100 mg/L利福平，100 mg/L 庆大霉素)中，28℃下，200 rpm培养过夜。

吸取60 μl菌液加入3 ml LB液体中，按比例加入2-(N-吗啡啉)-乙磺酸(MES，工作浓度10 mM)、乙酰丁香酮(ASG，工作浓度20 μM)、卡那霉素(工作浓度50 mg/L)，利福平(工作浓度100 mg/L)和庆大霉素(工作浓度100 mg/L) (表1)。

于28℃，200 rpm培养过夜。

第二天收集菌体，4℃下，5000 ×g离心5 min，去除上清液，留菌体。

将不同量的菌体悬沉在侵染液(10 mM的MES，200 μM乙酰丁香酮，10 mM氯化镁)中，配制3种不同浓度梯度的农杆菌菌液(OD600 = 0.2，1.0，2.0)，室温下静置培养3 h后待用。

用已消毒的1 ml注射器，取其针头，在烟草植株叶片背面扎2~3个孔，用无针头的针管注射叶片，依靠压力将菌液注入叶片的叶脉之间。

注射完毕后，置于22℃人工培养室中培养两天。

收集不同农杆菌浓度(OD600 = 0.2，1.0，2.0)下注射的烟草样本，各取300 mg烟草叶，低温(液氮)下研磨成粉末状，用等体积4 × Protein SDS extracting Buffer溶解，95℃加热10 min，6000×g离心3 min，烟草基因瞬时表达体系的建立与优化研究Figure 1. Construction of pCAMBIA-35S-35S-FMF-GUS图1. pCAMBIA-35S-35S-FMF-GUS 构建示意图Figure 2. Construction of pCAMBIA-35S-35S-FMF-RIN图2.pCAMBIA-35S-35S-FMF-RIN 构建示意图Table 1. Concentration of reagents表1. 各试剂浓度浓度MES ASG Kan Gen Rif MgCl 2 储液浓度1 M 100 mM 50 mg/ml 50 mg/ml 50 mg/ml 1 M 工作浓度 10 mM 20 μM/200 μM 50 mg/L 100 mg/L 100 mg/L 10 mM取上清液，置于−20℃保存。